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水 利 学 报

2025 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2025）06-0747-13

基于双模量动态本构模型的沥青混凝土

心墙坝心墙响应特性研究

李 闯 ，宋志强 ，王 飞 ，刘云贺 ，王宗凯 ，宁致远 1
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（1. 西安理工大学 旱区水工程生态环境全国重点实验室，陕西 西安 710048；
2. 西华大学 能源与动力工程学院，四川 成都 610039）
摘要：适宜的动态本构模型是评估沥青混凝土心墙坝防渗心墙抗震性能的重要基础。单轴动态拉伸、压缩试验结
果表明，水工沥青混凝土在低温动荷载下呈现拉、压弹性模量显著增大且差异明显的现象。本文以 Ambartsumyan
主应力空间双线性静态本构模型为基础，考虑拉、压泊松比的差异，依据主应力状态算得等效应变率，阐明了弹
性模量确定、拉压状态判断与等效应变率计算三者之间的耦合关系，开发了增量迭代解耦数值分析算法，建立了
水工沥青混凝土双模量动态本构模型。依据本文模型计算得到的拉、压应力应变曲线与试验结果吻合良好。基于
所建的双模量动态本构模型开展了实际沥青混凝土心墙坝心墙响应特性研究，结果表明：地震荷载下心墙动态双
模量效应明显，与动态双模量模型相比，单模量模型的最大动压应力偏小约 71.4%，不同位置的峰值加速度相对
差异最大可达 25.78%。忽略沥青混凝土的动态双模量效应将导致心墙轴向和竖向拉应变分别增大 45.8%、27.1%，
会造成对心墙抗震能力的低估。
关键词：双模量动态本构模型；水工沥青混凝土；等效应变率；心墙；地震响应

中图分类号：TV312；TV431+.5 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240781

1 研究背景

我国西部地区高寒、高烈度特性对沥青混凝土心墙坝心墙的抗震安全提出了严峻挑战 ［1-2］ 。在低
温条件下，水工沥青混凝土材料拉、压弹性模量随应变率显著增大且差异明显。建立合适的动态本构
模型，深入分析动态双模量特性对心墙地震响应的影响，是评估心墙抗震性能的重要基础。
当前沥青混凝土心墙土石坝动力计算时，心墙材料一般采用改进的等效线性黏弹性本构模型。该
模型依据动剪应变不断调整剪切模量和阻尼比，以反映材料的非线性和滞后性 ［3-4］ ，但该模型受围压
及剪应变影响较大，强震作用下的表现不尽如意。学者们不断寻找更适合的水工沥青混凝土动态本构
［5］
模型。Desai 提出了一种严格推导的分级单屈服面模型，能在一定程度上反映水工沥青混凝土的动态
［6］
力学性能。邹德高等 在广义塑性本构模型的基础上进行改进，提出了一种水工沥青混凝土静动统一
弹塑性本构模型。这些水工沥青混凝土本构模型，其试验基础多为压缩或剪切试验，且并未考虑应变
率的影响。现有试验结果表明 ［7-8］ ，水工沥青混凝土拉、压弹性模量受应变率影响显著，且动拉、压
弹性模量差异明显。因此，需进一步构建能够反映水工沥青混凝土的拉、压弹性模量差异特性和率效
应的动态本构模型。

收稿日期：2024-12-02；网络首发日期：2025-06-18
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20250618.1250.001
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基金项目：国家自然科学基金重点项目（52039008）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2022JM-276）；陕西省教育厅青年创新
团队科研计划项目（22JP052）
作者简介：李闯（1997-），博士生，主要从事水工结构抗震研究。E-mail：1230410044@stu.xaut.edu.cn
通信作者：宋志强（1981-），博士，教授，主要从事水工结构抗震研究。E-mail：zqsong@xaut.edu.cn
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